Schule – Universität, eine Schnittstelle mit Zufallsprinzip? MINT

Schule – Universität, eine
Schnittstelle mit Zufallsprinzip?
MINT-Fächer in der Schule und in
der Studieneingangsphase
Prof. Dr.-Ing. Werner Henkel
Dekan u. Prof. für Elektrotechnik, Jacobs University
Dr. Manfred Frischholz
Studienrat und Lehrbeauftragter
Lloyd Gymnasium, Bremerhaven u. Jacobs Univ.
Schulische Inhalte und Spezialisierung
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Mittelstufe:
Warum bewerten wir Inhalte wie Sport, Kunst, Musik, Religion,
Geschichte? Wozu mehrere Fremdsprachen? Wo sind die nötigen
Schwerpunkte?
Benötigt: perfektes Englisch, kein literarisches Deutsch, sondern... . und
natürlich … Mathematik, Physik, Chemie, Biologie und Programmieren
(keine Trivialspielerei mit Word, Excel, Powerpoint, die jedes Kind schon
beherrscht!), nützlich auch 10-Finger-Schreiben.
Wenn Musik und Kunst, dann doch bitte fundiert, d.h. Musik und Kunst
mit mathematischem Bezug – Obertöne (9. Klasse) aus Fourier-Reihe,
Farbenraum als vektorielle Darstellung, und wenn Musik, dann wenigstens
über die vielen Jahre ein Instrument erlernen.
Beispiel Obertöne und FourierReihe
Videobearbeitung: Erik Henkel (14)
Beispiel Farbraum
Schulische Inhalte und Spezialisierung
Religion oder dergleichen, wozu?
Wie effizient ist die Schule?
Gemeinsamer Unterricht bis zur 9 Klasse?
Wichtig: Konzentration auf das Wesentliche, andere Inhalte entsprechend
Ihrer Bedeutung als kulturelles Beiwerk niedriger wichten, besser gar nicht
bewerten.
Schulische Inhalte und Spezialisierung
Oberstufe:
Klare Ausrichtung auf Naturwissenschaftlich/Mathematisch/Technische
Inhalte für interessierte Schüler.
Mathematik: Analysis bis linear DGL, lineare Algebra, komplexe Zahlen,
etwas Wahrscheinlichkeitsrechnung inkl. auch zentraler Beweise
Physik: klare, mathematisch korrekte Darstellung
Biologie: DNA, Zellbestandteile, Diffusion an Membranen (Biophysik), und
Neurophysiologie – Hinweis auf technische neuronale Netze
Einführung in technische Inhalte – elektronische Bauteile, einfache
elektronische Schaltungen, Messgeräte, evtl. ihre Programmierung, etwas
Technische Mechanik, z.B. Berechung eines einfachen Tragwerkes.
Anstelle von Erdkunde eine Einführung in die Geowissenschaft
Programmiersprachen, insbesondere C, evtl. auch Datenbanken,
Grundlegende Begriffe in der Informatik, z.B. Sorting-Algorithmen,
Zahlendarstellung,…
Zurück zu 13 Jahren Schule ?
Auf keinen Fall!!!!
Studienanfänger aus anderen Ländern kommen mit einen Alter von 18
oder sogar 17 Jahren und sind dazu auch noch gut ausgebildet.
Sprich…. die deutschen Schulen müssen – evtl. in Zusammenarbeit mit
der Universität – konkurrenzfähig werden.
Ein Exkurs in andere Länder
Einige Schulen in Rumänien bereiten perfekt auf
technische/naturwissenschaftliche Studienfächer vor.
Am Ende der Schulzeit beherrschen Schüler dort:
• Mehrere Programmiersprachen, z.B., C und Python, Datenbanken
(SQL), sogar in der 5. Klasse werden bereits Inhalte mit
Netzwerkbezug/Graphentheorie besprochen, z.B. Dijkstra
Algorithmus zum Routing, in der Mathematik beherrschen Schüler
von dort typischerweise bereits die Inhalte des ersten Studienjahres.
• Perfektes Englisch
• Kein humanistischer Ballast
Details zur Lehrinhalten in Rumänien
Vertiefungsrichtungen
Natural sciences – 2-3h physics, 2-3h chemistry, 2-3h biology, 2-3h English, 2 second
language (German/French), 1 informatics, 3 math, 2-3 Romanian literature, 1 history, 1
geography
Natural sciences + intensive English - same as above, with 4h of English per week
Mathematics Informatics – 4 math, 4 informatics, 3 physics, 1 chemistry, 1 biology, 2
English, 2 second language (German/French), 2-3 Romanian, 1 history, 1 geography
Mathematics Informatics + intensive English - 4 math, 2-4 informatics, 2-3 English, 2-3
Romanian, 2 second language, 1-2 chemistry, 1-2 biology, 2 physics, 1 history, 1
geography
Mathematics Informatics (intensive) – 4-6 math, 2-4 informatics, 2 English, 2-3 Romanian,
2 second language, 1-2 chemistry, 1-2 bilogy, 2 physics, 1 history, 1 geography
Details zur Lehrinhalten in Rumänien
Curriculum for Math and Informatics
Mathematics (9th grade): sets, graphical representations of functions,
inequalities, second order equation, vectors, trigonometry,
progressions, linear equations, etc..
Mathematics (10th grade): exponential functions, logarithms, complex
numbers, combinatorics, geometry
Mathematics (11th grade): permutations, matrices, determinants,
solving linear systems (Gauss, Kronecker-Capelli, Rouche, analysis
(convergence, continuity, differentiation, graphical representation of
functions)
Mathematics (12th grade) groups, rings, fields, function primitives,
integration, computing areas, volumes
Details zur Lehrinhalten in Rumänien
Informatics (9th grade): C/C++ Fibonacci, various prime number problems,
counting problems, solving first and second order equations, computing
areas, volumes
Informatics (10th grade): C/C++ lists, double-linked lists, stack, queue, circular
lists, dynamic memory, allocation, local and global variables, recursion,
structs, binary search, sorting, fractal models, substring matching
Informatics (11th grade): C/C++ graph theory, checking for connected graphs,
adjacency matrices, adjacency lists, bipartite, Hamiltonian, Eulerian graphs,
Dijkstra, Roy-Floyd, Kruskal, and Prim algorithm for minimum spanning
trees, binary trees, heaps, greedy algorithms, backtracking, object oriented
programming (classes, methods, etc..)
Informatics (12th grade): either of: Oracle, Microsoft SQL Server, MySQL,
Visual FoxPro, i.e., databases
HTL Österreich
• Kombinationsausbildung für
” ``Matura´´ (Abitur) ” Berufsaufbildung ” Ing.
• Beeindruckende Labore
• Beeindruckende Ausbildung mit weitgehenden Kenntnissen
• Anspruchsvolle Fortbildungskurse für Lehrer an HTLs
verkürztes Video der HTL Hollabrunn
Nun zur Frage der Orientierung…
Die derzeitige Oberstufe bietet kaum Orientierung
Geschätzte 2/3 der Schüler haben im Abschlussjahr noch keine
Vorstellung zur Studien- oder Berufswahl
Technisch-naturwissenschaftliche Fächer werden entweder fremd der
tatsächlichen Studiensituation oder gar nicht behandelt
Glück, wenn Schüler ambitionierte und breit gebildete Lehrer antreffen,
die trotz mangelnder Rahmenbedingungen doch den Spagat
schaffen, Schülern zumindest einen Eindruck zu vermitteln, welche
Studienrichtungen im Umfeld ihres Lehrfachs zu finden sind und
worum es dabei geht.
Was wäre nötig….
Ausforsten des Lehrplans, Neuorientierung von Inhalten und strikte
Fokussierung in der Oberstufe – frühere Spezialisierung
Lehrerfortbildung durch Uni/Hochschul-Professoren oder in IndustrieCrashkursen
Sporadische Lehre von Professoren in der Oberstufe – möglichst verschiedene
Fachrichtungen, damit sich Schüler ein Bild machen können
Besuche von Schulklassen in Universitäten
Jederzeit auch jetzt schon möglich und ratsam: individuelle Besuche von
Lehrveranstaltungen
Umfunktionieren der Praktika (z.B. 10 Klasse) für Uni-Besuche – Vorbereitung
von Schnupperkursen durch die Unis oder noch einfacher – Besuch der
Anfänger-Vorlesungen zu Semesterbeginn.
Was wäre nötig….
Anstelle von ``Sitzenbleiben´´ gezielte Förderung der schwächeren
Schüler, z.B. während der Ferien
Bessere Ausstattung der Schulen im technisch-wissenschaftlichen
Bereich
Geringere Lehrverpflichtung der Lehrer in technisch-wissenschaftlichen
Bereichen, um Laborvorbereitung zu ermöglichen
Vorbereitungskurse für Mathematik-Olympiade und dergleichen
Quo vadis?
Vorbereitungsjahr wie an US-Universitäten um die Schuldefizite
auszugleichen?
Foundation Year bei Jacobs - Mehrheitlich schon heute von deutschen
Studenten frequentiert
Diskussionsthemen….
Feedback zu Aussagen zu Schulinhalten
Sind Rumänien/Österreich ein Modell für uns?
Sind Einführungskurse an der Uni die Lösung?
¾ Was sind die Erfahrungen aus dem Foundation Year bei Jacobs?
¾ Ist Deutschland in der Ausbildung schon Schlusslicht ?
Wie stellen wir Orientierung sicher?
¾ Tätigkeit an der Uni und an der Schule ist seltener Glücksfall
¾ Was hindert die Schule, Angebote von Hochschulen anzunehmen,
Professoren gelegentlich unterrichten zu lassen.
¾ Wie bekommen wir die Unis transparenter und bereit sich den Schulen
mehr zu öffnen.
¾ Sollten wir das institutionalisieren oder individuellen Initiativen
überlassen?
¾ Umso wichtiger, Eigeninitiative der Schüler!
Was kann und soll Schule leisten?
z
Anspruch und Wirklichkeit
z
Rahmenbedingungen
Ein kurzer Blick in
Verordnungen über die Sekundarstufen I der Oberschule und des Gymnasiums
Verordnung über die Gymnasiale Oberstufe
Ziele und Auftrag
(1)
Das Gymnasium setzt die Bildungs-und Erziehungsziele des
Bremischen Schulgesetzes um [...]. Das Gymnasium führt in einem
achtjährigen Bildungsgang zum Abitur; die drei letzten Jahrgangsstufen
des Bildungsganges sind der Gymnasialen Oberstufe zugeordnet. Das
Gymnasium vermittelt den Schülerinnen und Schülern eine vertiefte
allgemeine Bildung; in der Sekundarstufe I bereitet es auf die
Gymnasiale Oberstufe vor.
(2)
Die Standards [...] sind in den Bildungsplänen für das Gymnasium
festgelegt.
(3)
Die Arbeit des Gymnasiums zielt auf die Entwicklung der
gesamten Persönlichkeit. Die Gleichberechtigung der Geschlechter
und die Einübung eines partnerschaftlichen Verhältnisses sind dabei
grundlegend. Sie fördert die kognitive Entwicklung der
Schülerinnen und Schüler und zugleich ihre sozialen,
emotionalen, kreativen und praktischen Fähigkeiten.
Weiter werden die Schülerinnen und Schüler auf die Arbeitswelt
vorbereitet.
Wieso leisten wir uns das alles?
z
Gesamtpersönlichkeit <-> „Fachidiot“
z
vertiefte allgemeine Bildung <-> frühzeitige Spezialisierung
z
Teilnahme an gesellschaftlichen Diskussionen
z
überhaupt: gesellschaftliches Engagement
z
−
Ehrenamt (Sportvereine, ...)
−
politisches Engagement (nicht ausschließlich parteipolitisch)
auch und vielleicht gerade für Naturwissenschaftler und Techniker
−
notwendiges Wissen um historische und gesellschaftliche Zusammenhänge
−
Kenntnis von gesellschaftlichen Normen
−
ethisches Verhalten
−
gesellschaftliches Miteinander
Wieso leisten wir uns das alles?
z
Technologiefolgeabschätzung
z
Gesamtwirtschaftliche Betrachtungen
z
siehe Umweltschutz, nachhaltiges Wirtschaften, Energiewende, ...
z
Ist alles erlaubt, was technisch machbar ist?
z
Wenn ja, sollten wir es dann auch tatsächlich tun?
z
z
Enger Zusammenhang politischer, soziologischer, technischer und naturwissenschaftlicher
Entwicklungen historisch vielfach belegt
Naturwissenschaft und Technik existiert nicht losgelöst von der Gesellschaft, von
gesellschaftlichen Rahmenbedingungen
z
Naturwissenschaft und Technik (k)ein Selbstzweck!?
z
Naturwissenschaft <-> Religion, Ringen um die Weltdeutung
Bekommt man dies alles durch eine Reduzierung
auf das Allernötigste?
Wer bestimmt was unbedingt notwendig und was
lediglich unnützer Ballast ist?
... und für wen?
Unterrichtsziel
(1)
Die Gymnasiale Oberstufe ist der Sekundarstufe II zugeordnet. Sie besteht aus
einer einjährigen Einführungsphase und einer anschließenden zweijährigen
Qualifikationsphase.
(2)
Die Einführungsphase dient der Vorbereitung der Schülerinnen und Schüler auf
die Anforderungen und Inhalte der Qualifikationsphase. Die Qualifikationsphase
bereitet auf die Abiturprüfung vor. Die Vorbereitung auf die allgemeine
Studierfähigkeit sowie die Berufs- und Studienorientierung
sind fester Bestandteil der Arbeit in der Gymnasialen Oberstufe. Die Gymnasiale
Oberstufe führt durch die Vermittlung einer allgemeinen
Grundbildung in Verbindung mit individueller
Schwerpunktsetzung in Wahlpflicht- und Profilorganisation zur
Allgemeinen Hochschulreife.
Stundentafel - Chancen für MINT
Sie gibt die Stundenkontingente an, die in den Jahrgangsstufen 5 bis 9 in
den Fächern und Lernbereichen mindestens unterrichtet werden müssen. Die
Stundentafel enthält darüber hinaus für die Profilbildung in den
Jahrgangsstufen 5 bis 9 ein Stundenkontingent.
MINT in der Sek I
In den Jahrgangsstufen 5 und 6 wird das Fach Naturwissenschaft
ausgewiesen, die drei naturwissenschaftlichen Fächer werden
integriert unterrichtet. In den Jahrgangsstufen 7 und 8 können die
naturwissenschaftlichen Fächer integriert unterrichtet werden. Entsprechend
der fachlichen Schwerpunkte werden die Stundenwerte den Fächern
zugeordnet.
In den Jahrgangsstufen
5 bis 7 werden für das selbstständige
Lernen mindestens vier Wochenstunden zur Vertiefung in
den Fächern Deutsch und Mathematik verwendet, die in der Stundentafel
ausgewiesen sind.
MINT (39 + x) Stunden; x < 15
d.h. 1/4 bis 1/3 des Gesamtstundenkontingents
Zur Quantität des MINT-Unterrichts
In der Einführungsphase sind die Fächer nach der Stundentafel zu belegen,
insbesondere die naturwissenschaftlichen Fächer Biologie,
Chemie und Physik
In der Qualifikationsphase:
Leistungskurse (so denn diese aus dem MINT-Bereich gewählt sind)
werden mit fünf, Grundkurse in Deutsch, Fremdsprachen und
Mathematik mit drei Wochenstunden unterrichtet.
In der Gymnasialen Oberstufe müssen die folgenden Fächer durchgehend belegt
werden:
1. Deutsch
2. eine fortgesetzte Fremdsprache
3. Mathematik
4. eine Naturwissenschaft
5. ein Fach im gesellschaftswissenschaftlichen Aufgabenfeld
6. Sport
Stundentafel Einführungsphase
10 (13) Stunden
auch dreistündig möglich,
Umfang des Wahlpflichtbereich
evtl. weitere
Stunden
Stellungnahme aus 1998
Mathematische und naturwissenschaftliche Bildung
an der Schwelle zu einem neuen Jahrhundert
Deutscher Verein zur Förderung des mathematischen und
naturwissenschaftlichen Unterrichts (MNU)
Mathematisch-naturwissenschaftlicher Fakultätentag (MNFT)
Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte (GDNÄ)
Deutsche Mathematiker-Vereinigung (DMV)
Verband Deutscher Biologen (VDBiol)
Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)
Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG)
Arbeitsgemeinschaft Fachdidaktik der Naturwissenschaften und der Mathematik
(AFNM)
Gesellschaft für Didaktik der Mathematik (GDM)
Gesellschaft für Didaktik der Chemie und Physik (GDCP)
Aus der Zusammenfassung
Die Ursachen liegen zum einen im Unterricht selbst, zum anderen in einem Mangel an
Akzeptanz, Wertschätzung und Sichtbarkeit von Mathematik und Naturwissenschaften
sowie von Bildung überhaupt innerhalb und außerhalb der Schule.
Die mathematische und naturwissenschaftliche Bildung ist
ein essentieller Bestandteil der Allgemeinbildung; sie dient der
Persönlichkeitsentwicklung durch Vermittlung von Methodenkompetenz, Sachwissen und
Haltungen und sie ermöglicht ein grundlegendes fachliches Verständnis für Fragen der
Technik und bietet somit die Basis für eine
verantwortungsvolle Teilnahme an der gesellschaftlichen
Diskussion um Möglichkeiten und Grenzen der technischen
Entwicklung. Jedes der Fächer Mathematik, Physik, Chemie und Biologie liefert
dazu einen spezifischen Beitrag an disziplinärem Fachwissen. Nur auf der verläßlichen
Basis von Fachunterricht trägt fachübergreifendes Lernen dazu bei, Problemstellungen
aus Natur und Technik in ihrer Komplexität und Verflechtung begreifbar zu machen.
Aus der Zusammenfassung
Der mathematische und naturwissenschaftliche Unterricht kann seinen
Bildungsaufgaben nur dann gerecht werden, wenn folgende
Rahmenbedingungen erfüllt sind:
(1)
Beibehaltung der drei naturwissenschaftlichen Fächer Biologie,
Chemie und Physik;
(2)
etwa ein Drittel der zur Verfügung stehenden
Unterrichtszeit für Mathematik und
Naturwissenschaften;
(3)
durchgängig erteilter, früh einsetzender Unterricht in den
Naturwissenschaften;
Diese zentrale Forderung ließe sich derzeit nur durch die
vollständige Ausschöpfung aller Stundenkontingente der
Stundentafel aus dem Profil- und Vertiefungsbereich
und zwar ausschließlich für die MINT-Fächer erfüllen!
MINT im Aufwand?
Ist die Talsohle schon überwunden?
Studienanfänger & -absolventen
Studienanfänger & -absolventen
Studienanfänger & -absolventen
Gefahren für die weitere Entwicklung der
MINT-Fächer?
Woher kommen die Lehrer?
Quelle DPG, PHYSIKKonkret, Februar 2009
Zunahme der Quereinsteiger
Quelle DPG, PHYSIKKonkret, Februar 2009
Positionspapier DPG
Lehrerbedarfsprognose
Für den „Sekundarbereich II (allgemeinbildende Fächer) oder für das
Gymnasium“ besteht deutschlandweit in den nächsten Jahren durchgängig ein
Überangebot.
Deutschlandweit ist bei derzeit 794.300 hauptberuflichen Lehrkräften für den
genannten Zeitraum mit einem durchschnittlichen jährlichen Einstellungsbedarf
von rund 25.800 Lehrerinnen und Lehrern zu rechnen. Dabei übersteigt in
den westdeutschen Ländern das Angebot an Lehrkräften den
Lehrerbedarf durchschnittlich über alle Lehramtstypen um
etwa 39 %, d.h. jährlich im Durchschnitt um rund 8.100 Personen. In den
ostdeutschen Ländern hingegen besteht eine Unterdeckung
von durchschnittlich 12 %, d.h. von jährlich rund 600 Personen.
Quelle: Lehrereinstellungsbedarf und -angebot in der Bundesrepublik Deutschland Modellrechnung 2012 – 2025
Aber ...
Lehrerbedarfsprognose
Beginnend mit den übergreifenden Lehrämtern des Primarbereichs und aller oder
einzelner Schularten des Sekundarbereichs I sind sowohl kurzfristig (bis
2013/2014) als auch mittel- bislangfristig (bis 2025) die
höchsten Einstellungsbedarfe in den Fächern Mathematik,
Chemie, Physik, Englisch und Musik prognostiziert.
Für das Lehramt alle oder einzelne Schularten des Sekundarbereichs I wird
kurz- und längerfristig größerer Einstellungsbedarf in den
Fächern Mathematik, Chemie, Physik, Englisch, Französisch und
Musik prognostiziert.
In den Lehrämtern des Sekundarbereichs II (allgemein bildende Fächer) oder
für das Gymnasium ab dem Jahr 2013 lassen sich die Einstellungsbedarfe nur
schwer einschätzen. Auf der Grundlage von Bewertungen der Länder sind
größere Bedarfe über den gesamten Zeitraum in z.B.
Mathematik, Chemie und Physik anzunehmen.
Quelle: Lehrereinstellungsbedarf und -angebot in der Bundesrepublik Deutschland Modellrechnung 2012 – 2025
Schieflage bei der Fächerverteilung
Vom Trend her zeichnen sich aber - wie oben bereits ausgeführt - nach
Schulformen eher Versorgungsdefizite für Grund-, Haupt- und Realschulen ab.
Weitere Mängel resultieren für das Gymnnasium bzw. die Oberstufe aus einer
sehr ungleichen Verteilung mit Blick auf die Fächerwahl:
Insbesondere Mathematik
defizitär.
und Naturwissenschaften bleiben
Folgender Vergleich von einer Fachbelegung nach erstem Studienfach macht
die Schieflage exemplarisch deutlich:
Während im Wintersemester 2011/12 im Fach Germanistik/Deutsch 45.615
Lehramtsstudierende eingeschrieben waren, sind es für Mathematik nur
26.689 gewesen; für das Fach Geschichte waren es 12.333
Lehramtsstudierende, demgegenüber betrug die entsprechende Zahl der
Physikstudierenden nur 2482.
Quelle: I S A Informationssystem Studienwahl &
Arbeitsmarkt
Schieflage bei der Fächerverteilung
Vom Trend her zeichnen sich aber - wie oben bereits ausgeführt - nach
Schulformen eher Versorgungsdefizite für Grund-, Haupt- und Realschulen ab.
Weitere Mängel resultieren für das Gymnnasium bzw. die Oberstufe aus einer
sehr ungleichen Verteilung mit Blick auf die Fächerwahl:
Insbesondere Mathematik
defizitär.
und Naturwissenschaften bleiben
Folgender Vergleich von einer Fachbelegung nach erstem Studienfach macht
die Schieflage exemplarisch deutlich:
Während im Wintersemester 2011/12 im Fach Germanistik/Deutsch 45.615
Lehramtsstudierende eingeschrieben waren, sind es für Mathematik nur
26.689 gewesen; für das Fach Geschichte waren es 12.333
Lehramtsstudierende, demgegenüber betrug die entsprechende Zahl der
Physikstudierenden nur 2482.
Quelle: I S A Informationssystem Studienwahl &
Arbeitsmarkt
“Ich kann freilich nicht sagen, ob es besser wird, wenn es anders wird.
Aber soviel kann ich sagen: es muss anders werden, wenn es besser
werden soll!”
Georg Christoph Lichtenberg (1742-1799), deutscher
Naturwissenschaftler